JP6922651B2 - Ultrasonic device and ultrasonic measuring device - Google Patents

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    • H10N30/302Sensors

Description

本発明は、超音波デバイス、及び超音波測定装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic device and an ultrasonic measuring device.

従来、対象物に対して超音波を出力する超音波デバイスが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の超音波デバイス(超音波センサー)は、支持層の一部をエッチングすることで形成されたダイアフラム(メンブレン)と、当該ダイアフラム上に下部電極、圧電膜、及び上部電極を積層した圧電積層体とを備える。そして、この超音波デバイスでは、ダイアフラムの圧電積層体が設けられる側の面を覆うように、フロロカーボンの薄膜が設けられている。
このような超音波デバイスでは、圧電積層体の下部電極及び上部電極に電圧を印加することで、ダイアフラムを振動させ、当該ダイアフラムの振動が直接空気に作用して疎密波を生じさせることで超音波が空気中に送信される。このため、このような超音波デバイスでは、音響インピーダンスの整合を取るための層(音響整合層)等を別途設ける必要がなく、構成の簡素化を図れる。
Conventionally, an ultrasonic device that outputs an ultrasonic wave to an object is known (see, for example, Patent Document 1). The ultrasonic device (ultrasonic sensor) described in Patent Document 1 has a diaphragm (membrane) formed by etching a part of a support layer, and a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode laminated on the diaphragm. It is provided with a piezoelectric laminate. Then, in this ultrasonic device, a thin film of fluorocarbon is provided so as to cover the surface of the diaphragm on the side where the piezoelectric laminate is provided.
In such an ultrasonic device, a voltage is applied to the lower electrode and the upper electrode of the piezoelectric laminate to vibrate the diaphragm, and the vibration of the diaphragm acts directly on the air to generate a compressional wave, thereby generating ultrasonic waves. Is transmitted into the air. Therefore, in such an ultrasonic device, it is not necessary to separately provide a layer (acoustic matching layer) or the like for matching the acoustic impedance, and the configuration can be simplified.

特開2010−183437号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-183437

しかしながら、ダイアフラムを単独で振動させる構成とすると、ダイアフラム自身のQ値が高くなって超音波の送受信制御が困難となり、また、超音波を送信した後の残響振動(振動の尾引き)も長くなり、超音波の送受信精度が低下するとの課題がある。 However, if the diaphragm is configured to vibrate independently, the Q value of the diaphragm itself becomes high, making it difficult to control the transmission and reception of ultrasonic waves, and the reverberation vibration (tailing of vibration) after transmitting ultrasonic waves also becomes long. However, there is a problem that the transmission / reception accuracy of ultrasonic waves is lowered.

本発明は、超音波の送受信精度が高い超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic device having high accuracy in transmitting and receiving ultrasonic waves, and an ultrasonic measuring device.

本発明の一適用例に係る超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下であることを特徴とする。 The ultrasonic device according to an application example of the present invention includes a vibrating membrane having a vibrating region capable of vibrating by a vibrating element, and a damper layer provided so as to cover the vibrating region of the vibrating membrane. The thickness dimension of is 13 μm or more and 25 μm or less.

本適用例では、振動膜に、振動素子によって振動可能となる振動領域が設けられており、この振動領域を覆う位置に、厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層が設けられている。
ここで、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が25μmを超える場合では、振動領域の振動がダンパー層により阻害される。この場合、超音波を送信する際に振動領域が十分な変位で振動できず、超音波の送信感度(超音波の音圧)が低下する。また、超音波を受信する際にも受信超音波による振動膜の変位が小さくなることで受信感度も低下する。さらに、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が13μm未満となる場合では、振動領域が振動した際の残響振動(振動の尾引き)が長くなり、超音波の送受信精度が低下する。
これに対して、上記のように、13μm以上25μm以下となる厚み寸法のダンパー層を設ける場合、ダンパー層による振動領域の振動阻害が抑制されることで、超音波の送受信感度を高くすることができる。これに加え、ダンパー層によって、残響振動の発生をも抑制することができ、超音波の送受信精度を向上できる。また、ダンパー層が振動膜に設けられていることで、振動膜自身のQ値も低減できるので、超音波の送受信に係る制御も容易となる。
In this application example, the vibrating membrane is provided with a vibrating region capable of vibrating by a vibrating element, and a damper layer having a thickness dimension of 13 μm or more and 25 μm or less is provided at a position covering the vibrating region.
Here, when the thickness dimension of the damper layer provided on the vibrating film exceeds 25 μm, the vibration in the vibration region is hindered by the damper layer. In this case, when transmitting ultrasonic waves, the vibration region cannot vibrate with sufficient displacement, and the transmission sensitivity of ultrasonic waves (sound pressure of ultrasonic waves) decreases. In addition, when receiving ultrasonic waves, the displacement of the vibrating membrane due to the received ultrasonic waves is reduced, so that the receiving sensitivity is also lowered. Further, when the thickness dimension of the damper layer provided on the vibrating membrane is less than 13 μm, the reverberation vibration (tailing of vibration) when the vibration region vibrates becomes long, and the transmission / reception accuracy of ultrasonic waves is lowered.
On the other hand, as described above, when a damper layer having a thickness of 13 μm or more and 25 μm or less is provided, vibration inhibition in the vibration region by the damper layer is suppressed, so that the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves can be increased. can. In addition to this, the damper layer can also suppress the occurrence of reverberation vibration and improve the transmission and reception accuracy of ultrasonic waves. Further, since the damper layer is provided on the vibrating membrane, the Q value of the vibrating membrane itself can be reduced, so that the control related to the transmission and reception of ultrasonic waves becomes easy.

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記ダンパー層は、ヤング率が150MPa以下の素材により構成されていることが好ましい。
本適用例では、ダンパー層のヤング率が150MPa以下である。ダンパー層として、例えばフロロカーボン膜や、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のヤング率が高い素材で構成された層を形成した場合、ダンパー層によって振動領域の振動が阻害される。これに対して、上記のようなヤング率により構成されたダンパー層を用いることで、振動領域の振動が阻害される不都合を好適に抑制することができる。
In the ultrasonic device of this application example, the damper layer is preferably made of a material having a Young's modulus of 150 MPa or less.
In this application example, the Young's modulus of the damper layer is 150 MPa or less. When a layer made of, for example, a fluorocarbon film or a material having a high Young's modulus such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is formed as the damper layer, the damper layer inhibits the vibration in the vibration region. On the other hand, by using the damper layer having the Young's modulus as described above, the inconvenience that the vibration in the vibration region is hindered can be suitably suppressed.

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられていることが好ましい。
本適用例では、振動素子は、下部電極、圧電体層、及び上部電極を積層した圧電素子により構成されている。このような圧電素子では、下部電極及び上部電極の間に電圧を印加することで、圧電体層を変形させることができ、この圧電体層の変形により振動領域を振動させて超音波を送信することができる。また、超音波が振動膜の振動領域に入力されると、振動領域が変位する。これにより、振動領域に設けられた圧電体層の変位量に応じた電位差が下部電極及び上部電極の間に生じ、この電位差を検出することで超音波の受信を検出することができる。
そして、本適用例では、ダンパー層は、振動膜の圧電体層が配置される側に設けられている。つまり、ダンパー層によって、圧電素子が覆われる構成となり、圧電素子を保護することができる。例えば、圧電体層への水滴の付着に起因する圧電体層の焼損等の発生を抑制できる。
In the ultrasonic device of this application example, the vibrating element includes a lower electrode provided on one surface of the vibrating film, a piezoelectric layer laminated on the lower electrode, and an upper electrode laminated on the piezoelectric layer. It is a piezoelectric element, and the damper layer is preferably provided on the one surface of the vibrating film on which the piezoelectric element is provided.
In this application example, the vibrating element is composed of a lower electrode, a piezoelectric layer, and a piezoelectric element in which an upper electrode is laminated. In such a piezoelectric element, the piezoelectric layer can be deformed by applying a voltage between the lower electrode and the upper electrode, and the deformation of the piezoelectric layer vibrates the vibration region to transmit ultrasonic waves. be able to. Further, when ultrasonic waves are input to the vibration region of the vibrating membrane, the vibration region is displaced. As a result, a potential difference corresponding to the displacement amount of the piezoelectric layer provided in the vibration region is generated between the lower electrode and the upper electrode, and the reception of ultrasonic waves can be detected by detecting this potential difference.
Then, in this application example, the damper layer is provided on the side where the piezoelectric layer of the vibrating membrane is arranged. That is, the piezoelectric element is covered with the damper layer, and the piezoelectric element can be protected. For example, it is possible to suppress the occurrence of burning of the piezoelectric layer due to the adhesion of water droplets to the piezoelectric layer.

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられていることが好ましい。
本適用例の超音波デバイスにより、空気中に超音波を送信する場合、振動膜の超音波の送信方向(第一方向)側となる一面にダンパー層が設けられると、超音波がダンパー層を介して空気中に送信されることになる。この場合、ダンパー層によって超音波が減衰してしまう。これに対して、本適用例では、振動膜の第一方向とは反対側にダンパー層が設けられているので、超音波を減衰させることなく空気中に送信でき、また、空気中からの超音波を減衰されることなく振動領域で受信できる。
In the ultrasonic device of this application example, the damper layer is the first direction of the vibrating film, with the direction in which ultrasonic waves are transmitted when the vibrating element vibrates the vibrating region as the first direction. It is preferably provided on the opposite surface.
When transmitting ultrasonic waves into the air by the ultrasonic device of this application example, if a damper layer is provided on one surface of the vibrating membrane on the side of the ultrasonic wave transmission direction (first direction), the ultrasonic waves form the damper layer. It will be transmitted into the air via. In this case, the ultrasonic wave is attenuated by the damper layer. On the other hand, in this application example, since the damper layer is provided on the side opposite to the first direction of the vibrating membrane, the ultrasonic waves can be transmitted into the air without being attenuated, and the ultrasonic waves can be transmitted into the air. Sound waves can be received in the vibration region without being attenuated.

本発明に係る一適用例の超音波測定装置は、上述したような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおいて、ダンパー層が設けられることで、超音波の送受信制御が容易となる。また、振動領域の振動がダンパー層により阻害されることがないので、超音波の送受信感度を高めることができ、さらに、残響振動をも抑制することができ、高精度な超音波の送受信処理を実施できる。
したがって、超音波測定装置において、制御部は、当該超音波デバイスを容易に制御することが可能となり、高い送受信精度で超音波の送受信を行うことができるので、精度の高い超音波測定を実施することができる。
The ultrasonic measuring device of one application example according to the present invention is characterized by including an ultrasonic device as described above and a control unit for controlling the ultrasonic device.
In this application example, as described above, the provision of the damper layer in the ultrasonic device facilitates the transmission / reception control of ultrasonic waves. Further, since the vibration in the vibration region is not hindered by the damper layer, the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves can be increased, and the reverberation vibration can also be suppressed, so that high-precision ultrasonic transmission / reception processing can be performed. Can be carried out.
Therefore, in the ultrasonic measuring device, the control unit can easily control the ultrasonic device and can transmit and receive ultrasonic waves with high transmission / reception accuracy, so that the ultrasonic measurement is performed with high accuracy. be able to.

第一実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。The plan view which shows the schematic structure of the ultrasonic device of 1st Embodiment. 第一実施形態の超音波デバイスの一部の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a part of the ultrasonic device of the first embodiment. 超音波デバイスにおけるダンパー層の厚み寸法と、振動部の最大変位量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the thickness dimension of a damper layer in an ultrasonic device, and the maximum displacement amount of a vibrating part. ダンパー層が設けられていない場合の残響振動によるパルス幅を示す図。The figure which shows the pulse width by the reverberation vibration when the damper layer is not provided. 厚み寸法が20μmのダンパー層を設けた場合の残響振動によるパルス幅を示す図。The figure which shows the pulse width by the reverberation vibration when the damper layer of a thickness dimension of 20 μm is provided. 開口部の幅寸法を170μm、200μm、260μmとした際の、ダンパー層の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図。It is a figure which shows the relationship between the thickness dimension of a damper layer, and the pulse width when the width dimension of an opening is 170 μm, 200 μm, 260 μm. 図6において、ダンパー層の厚み寸法が0である場合を基準(100%)とした際の、パルス幅の変化を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a change in pulse width when the thickness dimension of the damper layer is 0 as a reference (100%). ダンパー層のヤング率と、振動部の振動振幅の変形効率との関係を示す図。The figure which shows the relationship between Young's modulus of a damper layer and deformation efficiency of the vibration amplitude of a vibrating part. 第二実施形態に係る距離センサーの概略構成を示す図。The figure which shows the schematic structure of the distance sensor which concerns on 2nd Embodiment. 第一実施形態の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。The cross-sectional view which shows the schematic structure of the ultrasonic device which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第一実施形態の他の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic device according to another modification of the first embodiment.

[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態に係る超音波デバイスについて説明する。図1は、超音波デバイス10の概略構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A線を切断した際の超音波デバイス10の一部の断面図である。
図1及び図2に示すように、超音波デバイス10には、素子基板11と、圧電素子12と、ダンパー層13(図2参照)と、を備えて構成されている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板11の基板厚み方向をZ方向とし、Z方向に直交する2軸方向をそれぞれX方向及びY方向とする。また、Z方向(+Z側に向かう方向)は、本発明の第一方向に相当し、超音波を送信する方向となる。
[First Embodiment]
Hereinafter, the ultrasonic device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the ultrasonic device 10. FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of the ultrasonic device 10 when the line AA of FIG. 1 is cut.
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic device 10 includes an element substrate 11, a piezoelectric element 12, and a damper layer 13 (see FIG. 2). Here, in the following description, the substrate thickness direction of the element substrate 11 is the Z direction, and the biaxial directions orthogonal to the Z direction are the X direction and the Y direction, respectively. Further, the Z direction (direction toward the + Z side) corresponds to the first direction of the present invention and is a direction for transmitting ultrasonic waves.

(素子基板11の構成)
素子基板11は、図2に示すように、基板本体部111と、基板本体部111の−Z側に設けられる振動膜112と、を備える。
基板本体部111は、振動膜112を支持する基板であり、例えばSi等の半導体基板で構成される。ここで、素子基板11には、Z方向から見た平面視で、図1に示すように、X方向及びY方向に沿った2次元アレイ状に配置される複数の開口部111Aが設けられている。
本実施形態では、各開口部111Aは、基板本体部111の基板厚み方向(Z方向)を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の一端側(−Z側)を閉塞するように振動膜112が設けられている。
(Structure of element substrate 11)
As shown in FIG. 2, the element substrate 11 includes a substrate main body 111 and a vibrating film 112 provided on the −Z side of the substrate main body 111.
The substrate main body 111 is a substrate that supports the vibrating film 112, and is composed of, for example, a semiconductor substrate such as Si. Here, as shown in FIG. 1, the element substrate 11 is provided with a plurality of openings 111A arranged in a two-dimensional array along the X and Y directions in a plan view from the Z direction. There is.
In the present embodiment, each opening 111A is a through hole penetrating the substrate thickness direction (Z direction) of the substrate main body 111, and the vibrating film 112 closes one end side (−Z side) of the through hole. Is provided.

振動膜112は、例えばSiOや、SiO及びZrOの積層体等より構成され、基板本体部111の−Z側に設けられる。振動膜112の厚み寸法は、基板本体部111に対して十分小さい厚み寸法となる。この振動膜112は、開口部111Aを構成する基板本体部111の壁部111B(図2参照)により支持され、開口部111Aの−Z側を閉塞する。振動膜112のうち、平面視で開口部111Aと重なる部分(開口部111Aを閉塞する領域)は、振動部112Aを構成する。つまり、開口部111Aは、振動膜112の振動部112Aの外縁を規定する。この振動部112Aは、圧電素子12により振動可能となる振動領域となる。 The vibrating film 112 is composed of, for example, SiO 2 , a laminated body of SiO 2 and ZrO 2 , and is provided on the −Z side of the substrate main body 111. The thickness of the vibrating film 112 is sufficiently smaller than that of the substrate main body 111. The vibrating film 112 is supported by the wall portion 111B (see FIG. 2) of the substrate main body portion 111 constituting the opening portion 111A, and closes the −Z side of the opening portion 111A. A portion of the vibrating membrane 112 that overlaps the opening 111A in a plan view (a region that closes the opening 111A) constitutes the vibrating portion 112A. That is, the opening 111A defines the outer edge of the vibrating portion 112A of the vibrating membrane 112. The vibrating portion 112A is a vibrating region that can be vibrated by the piezoelectric element 12.

(圧電素子12の構成)
圧電素子12は、本発明の振動素子であり、本実施形態では、振動膜112の一面(−Z側の面)で、かつ、Z方向から見た平面視で各振動部112Aと重なる位置にそれぞれ設けられている。この圧電素子12は、図2に示すように、振動膜112上に下部電極121、圧電体層122、及び上部電極123が順に積層されることにより構成されている。
(Structure of Piezoelectric Element 12)
The piezoelectric element 12 is the vibrating element of the present invention, and in the present embodiment, it is located on one surface (the surface on the −Z side) of the vibrating film 112 and at a position where it overlaps with each vibrating portion 112A in a plan view from the Z direction. Each is provided. As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 12 is configured by sequentially laminating a lower electrode 121, a piezoelectric layer 122, and an upper electrode 123 on a vibrating film 112.

具体的には、下部電極121は、図1に示すように、X方向に沿って直線状に形成される。下部電極121の両端部(±X側端部)は、例えば、超音波デバイス10を制御する回路基板等に接続される下部電極端子121Pとなる。
また、上部電極123は、Y方向に沿って直線状に形成されている。上部電極123の±Y側端部は、共通電極線123Aに接続される。共通電極線123Aは、X方向に対して複数配置された上部電極123同士を結線し、共通電極線123Aの両端部(±X側端部)は、回路基板等に接続される上部電極端子123Pとなる。
圧電体層122は、例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)等の圧電体の薄膜により形成されている。なお、図2に示すように、圧電体層122の側面部を覆うように保護膜124が設けられる構成としてもよい。
Specifically, as shown in FIG. 1, the lower electrode 121 is formed linearly along the X direction. Both ends (± X side ends) of the lower electrode 121 are, for example, lower electrode terminals 121P connected to a circuit board or the like that controls the ultrasonic device 10.
Further, the upper electrode 123 is formed linearly along the Y direction. The ± Y side end of the upper electrode 123 is connected to the common electrode line 123A. The common electrode wire 123A connects a plurality of upper electrodes 123 arranged in the X direction, and both ends (± X side ends) of the common electrode wire 123A are connected to a circuit board or the like. It becomes.
The piezoelectric layer 122 is formed of a thin film of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate). As shown in FIG. 2, the protective film 124 may be provided so as to cover the side surface portion of the piezoelectric layer 122.

ここで、振動膜112における1つの振動部112Aと、当該振動部112A上に設けられた圧電素子12とにより、1つの超音波トランスデューサーTrが構成される。したがって、図1に示すように、超音波デバイス10には、X方向及びY方向に沿って複数の超音波トランスデューサーTrが配置される。
また、本実施形態の超音波デバイス10では、X方向に配置された複数の超音波トランスデューサーTrにおいて下部電極121が共通となり、これらのX方向に配置された複数の超音波トランスデューサーTrにより、1CH(チャネル)の送受信列Chが構成される。また、当該1CHの送受信列ChがY方向に沿って複数並んで配置されることで、1次元アレイ構造の超音波デバイス10が構成されている。
Here, one ultrasonic transducer Tr is configured by one vibrating portion 112A in the vibrating film 112 and the piezoelectric element 12 provided on the vibrating portion 112A. Therefore, as shown in FIG. 1, a plurality of ultrasonic transducers Tr are arranged in the ultrasonic device 10 along the X direction and the Y direction.
Further, in the ultrasonic device 10 of the present embodiment, the lower electrodes 121 are common to the plurality of ultrasonic transducers Tr arranged in the X direction, and the plurality of ultrasonic transducers Tr arranged in the X direction are used. A 1CH (channel) transmission / reception column Ch is configured. Further, the ultrasonic device 10 having a one-dimensional array structure is configured by arranging a plurality of transmission / reception rows Ch of the 1CH side by side along the Y direction.

このような構成の超音波トランスデューサーTrでは、下部電極121及び上部電極123の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、圧電体層122が伸縮し、圧電素子12が設けられた振動膜112の振動部112Aが、開口部111Aの開口幅等に応じた周波数で振動する。これにより、振動部112Aの+Z側(開口部111A側)から超音波が送信される。
また、開口部111Aに超音波が入力されると、当該超音波によって振動部112Aが振動し、圧電体層122の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極121及び上部電極123間に発生する電位差を検出することにより、超音波を検出(受信)することが可能となる。
In the ultrasonic transducer Tr having such a configuration, the piezoelectric layer 122 expands and contracts by applying a pulse wave voltage of a predetermined frequency between the lower electrode 121 and the upper electrode 123, and the piezoelectric element 12 is provided. The vibrating portion 112A of the vibrating film 112 vibrates at a frequency corresponding to the opening width of the opening 111A and the like. As a result, ultrasonic waves are transmitted from the + Z side (opening 111A side) of the vibrating portion 112A.
Further, when an ultrasonic wave is input to the opening 111A, the vibrating portion 112A vibrates due to the ultrasonic wave, and a potential difference is generated above and below the piezoelectric layer 122. Therefore, it is possible to detect (receive) ultrasonic waves by detecting the potential difference generated between the lower electrode 121 and the upper electrode 123.

(ダンパー層13の構成)
振動膜112の−Z側には、ダンパー層13が設けられている。
本実施形態では、ダンパー層13は、振動膜112及び各圧電素子12の−Z側全体(つまり、超音波が送受信される側とは反対側の面)を覆う。ダンパー層13は、Z方向から見た際に、圧電素子12と重なる部分が、当該圧電素子12の表面に密着し、圧電素子12と重ならない部分は振動膜112の−Z側の面に密着している。
このダンパー層13は、ヤング率が130MPa以下の素材(例えばシリコーン等)により構成されている。また、ダンパー層13の厚み寸法(Z方向に沿う寸法)は、13μm以上、25μm以下となる。
(Structure of damper layer 13)
A damper layer 13 is provided on the −Z side of the vibrating film 112.
In the present embodiment, the damper layer 13 covers the entire -Z side of the vibrating film 112 and each piezoelectric element 12 (that is, the surface opposite to the side on which ultrasonic waves are transmitted and received). When viewed from the Z direction, the damper layer 13 has a portion that overlaps with the piezoelectric element 12 adheres to the surface of the piezoelectric element 12, and a portion that does not overlap with the piezoelectric element 12 adheres to the −Z side surface of the vibrating film 112. doing.
The damper layer 13 is made of a material having a Young's modulus of 130 MPa or less (for example, silicone or the like). Further, the thickness dimension (dimension along the Z direction) of the damper layer 13 is 13 μm or more and 25 μm or less.

ところで、本実施形態では、上述したように、振動膜112の振動部112Aの振動により超音波の送信を行う。具体的には、振動部112Aを振動させることで、振動部112Aの振動を直接空気に作用させて疎密波を生じさせて、超音波を送信する。
ここで、上記のように振動膜112を振動させて超音波を送信する構成では、ダンパー層13が設けられていない場合、振動膜112自身のQ値が非常に高くなり、超音波の送受信制御が困難となる。また、振動が収束するまでの時間(残響振動が発生している時間)も長くなる。
そこで、本実施形態では、上記の様に、厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層13を設けることで、上記の課題を解決している。
By the way, in the present embodiment, as described above, ultrasonic waves are transmitted by the vibration of the vibrating portion 112A of the vibrating membrane 112. Specifically, by vibrating the vibrating unit 112A, the vibration of the vibrating unit 112A directly acts on the air to generate a compressional wave, and ultrasonic waves are transmitted.
Here, in the configuration in which the vibrating membrane 112 is vibrated to transmit ultrasonic waves as described above, when the damper layer 13 is not provided, the Q value of the vibrating membrane 112 itself becomes very high, and the transmission / reception control of ultrasonic waves is controlled. Becomes difficult. In addition, the time until the vibration converges (the time during which the reverberation vibration occurs) also becomes long.
Therefore, in the present embodiment, as described above, the above problem is solved by providing the damper layer 13 having a thickness dimension of 13 μm or more and 25 μm or less.

図3は、圧電素子12に所定の周期駆動電圧を印加して振動部112Aを振動させた際の、ダンパー層13の厚み寸法と、振動部112Aの最大変位量との関係を示す図である。
ダンパー層13の厚み寸法を大きくすると、振動部112Aの振動振幅が低下し、これにより、超音波の送受信感度が低下する。特に、図3に示すように、ダンパー層13の厚み寸法が25μmを超えると、最大変位量は大きく低下する。最大変位量が低下すると、圧電素子12に電圧を印加した際の超音波の送信感度が低下する。また、超音波を受信した際にも、振動部112Aが振動しにくくなるので、受信感度も低下する。
一方、ダンパー層13の厚み寸法が25μm以下である場合、振動部112Aの最大変位量は10μm近傍に維持される。すなわち、ダンパー層13の厚み寸法25μm以下である場合、ダンパー層13を設けない場合と略同様の変位量が得られ、十分な超音波の送受信感度が得られることが分かる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness dimension of the damper layer 13 and the maximum displacement amount of the vibrating portion 112A when the vibrating portion 112A is vibrated by applying a predetermined periodic drive voltage to the piezoelectric element 12. ..
When the thickness dimension of the damper layer 13 is increased, the vibration amplitude of the vibrating portion 112A is reduced, which lowers the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves. In particular, as shown in FIG. 3, when the thickness dimension of the damper layer 13 exceeds 25 μm, the maximum displacement amount is greatly reduced. When the maximum displacement amount decreases, the transmission sensitivity of ultrasonic waves when a voltage is applied to the piezoelectric element 12 decreases. Further, even when the ultrasonic wave is received, the vibrating portion 112A is less likely to vibrate, so that the receiving sensitivity is also lowered.
On the other hand, when the thickness dimension of the damper layer 13 is 25 μm or less, the maximum displacement amount of the vibrating portion 112A is maintained in the vicinity of 10 μm. That is, when the thickness dimension of the damper layer 13 is 25 μm or less, a displacement amount substantially the same as when the damper layer 13 is not provided can be obtained, and it can be seen that sufficient ultrasonic wave transmission / reception sensitivity can be obtained.

次に、振動部112Aが振動した際の残響振動について説明する。
超音波デバイス10では、各超音波トランスデューサーTrから超音波を送信し、対象物にて反射された超音波(反射波)を受信することで、超音波デバイス10から対象物までの距離を測定することが可能となる。しかしながら、超音波トランスデューサーTrから超音波を送信した際の振動部112Aの振動(残響振動)がある場合、反射波を受信した際に、残響振動による信号と反射波の受信に伴う振動部112Aの振動による信号との判別がつきにくくなり、超音波受信時の精度が低下する。また、残響振動による微弱な超音波が送信されてしまうとの不都合も生じる。特に、超音波デバイス10を、近距離の対象物を検出するための近距離センサー等として用いる場合、上記のような残響振動が残る期間に反射波を受信する可能性もあり、残響振動が長期間発生することは好ましくない。
Next, the reverberation vibration when the vibrating unit 112A vibrates will be described.
The ultrasonic device 10 measures the distance from the ultrasonic device 10 to the object by transmitting ultrasonic waves from each ultrasonic transducer Tr and receiving the ultrasonic waves (reflected waves) reflected by the object. It becomes possible to do. However, when there is vibration (reverberation vibration) of the vibrating unit 112A when ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic transducer Tr, when the reflected wave is received, the vibrating unit 112A accompanying the reception of the signal due to the reverberant vibration and the reflected wave. It becomes difficult to distinguish it from the signal due to the vibration of, and the accuracy at the time of receiving ultrasonic waves decreases. In addition, there is an inconvenience that a weak ultrasonic wave due to reverberation vibration is transmitted. In particular, when the ultrasonic device 10 is used as a short-distance sensor or the like for detecting an object at a short distance, the reflected wave may be received during the period when the reverberation vibration as described above remains, and the reverberation vibration is long. It is not desirable to occur for a period of time.

ここで、超音波トランスデューサーTrにより1パルスの超音波を送信した後、その振幅が1/10となるまでの時間を、残響振動によるパルス幅(μsec)とする。図4は、ダンパー層13が設けられていない場合の残響振動の波形を示す図である。図5は、厚み寸法が20μmのダンパー層13を設けた際の残響振動の波形を示す図である。図4及び図5において、破線は、最大振幅の1/10となる振幅を示している。この図4及び図5は、超音波トランスデューサーTrから1パルスの超音波を送信させた後の、振動部112Aの振動振幅の変化を測定した結果である。
図4に示すように、ダンパー層13を設けない場合のパルス幅(振幅が1/10となるまでの時間)は約200μsecである。これに対して、図5に示すように、20μmの厚み寸法のダンパー層13を設けた場合、パルス幅は、約75μsecとなり、残響振動が生じる期間がダンパー層13を設けない場合に比べて、1/2以下になることが分かる。
Here, the time until the amplitude becomes 1/10 after transmitting one pulse of ultrasonic waves by the ultrasonic transducer Tr is defined as the pulse width (μsec) due to the reverberation vibration. FIG. 4 is a diagram showing a waveform of reverberation vibration when the damper layer 13 is not provided. FIG. 5 is a diagram showing a waveform of reverberation vibration when the damper layer 13 having a thickness dimension of 20 μm is provided. In FIGS. 4 and 5, the broken line indicates an amplitude that is 1/10 of the maximum amplitude. 4 and 5 are the results of measuring the change in the vibration amplitude of the vibrating unit 112A after transmitting one pulse of ultrasonic waves from the ultrasonic transducer Tr.
As shown in FIG. 4, the pulse width (time until the amplitude becomes 1/10) when the damper layer 13 is not provided is about 200 μsec. On the other hand, as shown in FIG. 5, when the damper layer 13 having a thickness of 20 μm is provided, the pulse width is about 75 μsec, and the period during which reverberation vibration occurs is longer than that when the damper layer 13 is not provided. It can be seen that it is less than 1/2.

また、図6は、開口部111Aの幅寸法を170μm、200μm、260μmとした際の、ダンパー層13の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図である。図7は、図6において、ダンパー層13の厚み寸法が0である場合を基準(100%)とした際の、パルス幅の変化を示す図である。
図6及び図7に示すように、ダンパー層13の厚み寸法を13μm以上にすることで、開口部111Aの開口幅(超音波の周波数)によらず、パルス幅を1/2以下にできる。
一方、ダンパー層13の厚み寸法が13μm未満である場合、残響振動によるパルス幅が長くなり、超音波の送受信時の精度を十分に維持することができない。
Further, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness dimension of the damper layer 13 and the pulse width when the width dimension of the opening 111A is 170 μm, 200 μm, and 260 μm. FIG. 7 is a diagram showing a change in the pulse width when the thickness dimension of the damper layer 13 is 0 in FIG. 6 as a reference (100%).
As shown in FIGS. 6 and 7, by setting the thickness dimension of the damper layer 13 to 13 μm or more, the pulse width can be halved or less regardless of the opening width (ultrasonic frequency) of the opening 111A.
On the other hand, when the thickness dimension of the damper layer 13 is less than 13 μm, the pulse width due to the reverberation vibration becomes long, and the accuracy at the time of transmitting and receiving ultrasonic waves cannot be sufficiently maintained.

すなわち、厚み寸法が13μm以上25μm以下であるダンパー層13が設けられていることで、超音波の送受信感度を高くでき、かつ、残響振動も短くすることができ、超音波の送受信精度を高めることができる。 That is, by providing the damper layer 13 having a thickness dimension of 13 μm or more and 25 μm or less, the ultrasonic wave transmission / reception sensitivity can be increased, the reverberation vibration can be shortened, and the ultrasonic wave transmission / reception accuracy can be improved. Can be done.

次に、ダンパー層13のヤング率について説明する。
図8は、ダンパー層13のヤング率と、振動部112Aの振動振幅の変形効率との関係を示す図である。図8では、ダンパー層13を設けない場合の変形効率を100%としている。
ダンパー層13として、ヤング率が10MPa以下の素材を用いた場合、図8に示すように、振動部112Aの振動振幅は、ダンパー層13を設けない場合に比べてほぼ変化がない。すなわち、超音波の送信時には音圧の高い超音波を送信でき、超音波を受信した際に、振動部112Aの振動を大きくできることで、高い信号レベルの受信信号が得られる。
ヤング率を10MPaからさらに大きくすると、図8に示すように、振動部112Aの振動効率は低下し、500MPaを超えると、振動部112Aの振動効率が50%を下回る。
超音波の送受信感度としては、振動効率の低下を50%以下に抑えることが好ましい。したがって、ダンパー層13のヤング率としては、500MPa以下とすることが好ましい。このようなダンパー層13の素材としては、例えばシリコーンゴムや各種ゴム素材、ポリエチレン等を用いることができ、特に、ヤング率が10MPa以下となるシリコーンゴムや各種ゴム素材を用いることがより好ましい。
Next, the Young's modulus of the damper layer 13 will be described.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the Young's modulus of the damper layer 13 and the deformation efficiency of the vibration amplitude of the vibrating portion 112A. In FIG. 8, the deformation efficiency when the damper layer 13 is not provided is set to 100%.
When a material having a Young's modulus of 10 MPa or less is used as the damper layer 13, the vibration amplitude of the vibrating portion 112A is almost unchanged as compared with the case where the damper layer 13 is not provided, as shown in FIG. That is, when transmitting ultrasonic waves, ultrasonic waves having a high sound pressure can be transmitted, and when the ultrasonic waves are received, the vibration of the vibrating unit 112A can be increased, so that a received signal with a high signal level can be obtained.
When the Young's modulus is further increased from 10 MPa, the vibration efficiency of the vibrating portion 112A decreases as shown in FIG. 8, and when it exceeds 500 MPa, the vibration efficiency of the vibrating portion 112A falls below 50%.
As for the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves, it is preferable to suppress the decrease in vibration efficiency to 50% or less. Therefore, the Young's modulus of the damper layer 13 is preferably 500 MPa or less. As the material of such a damper layer 13, for example, silicone rubber, various rubber materials, polyethylene and the like can be used, and it is more preferable to use silicone rubber and various rubber materials having a Young's modulus of 10 MPa or less.

[本実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波デバイス10では、圧電素子12が設けられる振動部112Aに接してダンパー層13が設けられており、このダンパー層13の厚み寸法が13μm以上25μm以下の厚み寸法となる。
このようなダンパー層13が設けられることで、振動部112AのQ値を下げることが可能となり、超音波デバイス10における超音波の送受信制御を容易に行うことができる。つまり、振動部112Aにダンパー層13が設けられない場合、各超音波トランスデューサーTrの応答性が過剰に高くなるため、例えば超音波デバイス10に僅かな外乱振動が入力された場合でも、振動部112Aが振動して受信信号が出力される等の不都合が生じる。この場合、超音波が入力されていないにもかかわらず、受信信号が出力されてしまう。これに対して、ダンパー層13が設けられることで、振動部112AのQ値が低下し、超音波の送受信制御を適切に実施することが可能となる。
また、本実施形態では、ダンパー層13の厚み寸法が13μm以上となるため、図6,図7に示すように、超音波トランスデューサーTrを駆動させた際の残響振動を抑制することができる。これにより、残響振動に起因する意図しない超音波発信や、残響振動中での反射波の受信等が抑制され、超音波の送受信精度を向上できる。
さらに、ダンパー層13の厚み寸法が25μm以下となるため、図3に示すように、振動部112Aの最大変位量の低下を抑制できる。これにより、超音波の送信時には、高い出力値の超音波を送信でき、反射波の受信時には、信号レベルの高い受信信号を得ることができ、超音波の送受信感度を高めることができる。
すなわち、本実施形態では、超音波デバイス10による超音波の送受信感度を高くでき、かつ、高い精度で超音波の送受信処理を実施することができ、さらに、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。
[Action and effect of this embodiment]
In the ultrasonic device 10 of the present embodiment, the damper layer 13 is provided in contact with the vibrating portion 112A provided with the piezoelectric element 12, and the thickness dimension of the damper layer 13 is 13 μm or more and 25 μm or less.
By providing such a damper layer 13, the Q value of the vibrating unit 112A can be lowered, and the transmission / reception control of ultrasonic waves in the ultrasonic device 10 can be easily performed. That is, when the damper layer 13 is not provided in the vibrating unit 112A, the responsiveness of each ultrasonic transducer Tr becomes excessively high, so that even if a slight disturbance vibration is input to the ultrasonic device 10, for example, the vibrating unit Inconveniences such as vibration of 112A and output of a received signal occur. In this case, the received signal is output even though the ultrasonic wave is not input. On the other hand, by providing the damper layer 13, the Q value of the vibrating unit 112A is lowered, and it becomes possible to appropriately control the transmission and reception of ultrasonic waves.
Further, in the present embodiment, since the thickness dimension of the damper layer 13 is 13 μm or more, reverberation vibration when the ultrasonic transducer Tr is driven can be suppressed as shown in FIGS. 6 and 7. As a result, unintended ultrasonic wave transmission due to reverberation vibration, reception of reflected waves during reverberation vibration, and the like can be suppressed, and the transmission / reception accuracy of ultrasonic waves can be improved.
Further, since the thickness dimension of the damper layer 13 is 25 μm or less, it is possible to suppress a decrease in the maximum displacement amount of the vibrating portion 112A as shown in FIG. As a result, when transmitting ultrasonic waves, it is possible to transmit ultrasonic waves having a high output value, and when receiving reflected waves, it is possible to obtain a received signal having a high signal level, and it is possible to increase the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves.
That is, in the present embodiment, the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves by the ultrasonic device 10 can be increased, the ultrasonic wave transmission / reception processing can be performed with high accuracy, and the control related to the transmission / reception of ultrasonic waves can be easily performed. can.

本実施形態では、ダンパー層13のヤング率が150MPa以下となる。このため、ダンパー層13による振動部112Aの振動が阻害される不都合が抑制され、図8に示すように、振動部112Aの変形効率を50%以上に維持できる。これにより、超音波の送受信感度を高めることができる。 In this embodiment, the Young's modulus of the damper layer 13 is 150 MPa or less. Therefore, the inconvenience that the vibration of the vibrating portion 112A is hindered by the damper layer 13 is suppressed, and as shown in FIG. 8, the deformation efficiency of the vibrating portion 112A can be maintained at 50% or more. As a result, the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves can be increased.

本実施形態では、振動部112Aの−Z側の面に圧電素子12が設けられており、ダンパー層13は、振動部112A及び圧電素子12を覆って形成されている。このような構成では、ダンパー層13によって、圧電素子12が覆われる構造となり、例えば圧電素子12への水滴の付着による焼損等の不都合を抑制でき、好適に圧電素子を保護することができる。 In the present embodiment, the piezoelectric element 12 is provided on the −Z side surface of the vibrating portion 112A, and the damper layer 13 is formed so as to cover the vibrating portion 112A and the piezoelectric element 12. In such a configuration, the piezoelectric element 12 is covered with the damper layer 13, and inconveniences such as burning due to adhesion of water droplets to the piezoelectric element 12 can be suppressed, and the piezoelectric element can be suitably protected.

本実施形態では、超音波デバイス10は、振動部112Aを振動させることで、振動部112Aから開口部111A側に超音波を送信し、開口部111A側から入力された超音波を受信する。そして、ダンパー層13は、振動部112Aの超音波の送受信方向である+Z側とは反対側の−Z側に設けられている。このため、超音波の送受信処理において、ダンパー層13が超音波の進路方向に介在することがなく、超音波の減衰が発生しない。よって、超音波の送信時には出力(振幅)の大きい超音波を出力することができ、超音波の受信時には、反射波による振動部112Aの変位量を大きくでき、高い信号レベルの受信信号を得ることができる。 In the present embodiment, the ultrasonic device 10 vibrates the vibrating unit 112A to transmit ultrasonic waves from the vibrating unit 112A to the opening 111A side and receive the ultrasonic waves input from the opening 111A side. The damper layer 13 is provided on the −Z side opposite to the + Z side, which is the transmission / reception direction of ultrasonic waves of the vibrating unit 112A. Therefore, in the ultrasonic wave transmission / reception process, the damper layer 13 does not intervene in the path direction of the ultrasonic wave, and the ultrasonic wave is not attenuated. Therefore, when transmitting ultrasonic waves, it is possible to output ultrasonic waves having a large output (amplitude), and when receiving ultrasonic waves, the amount of displacement of the vibrating portion 112A due to the reflected wave can be increased, and a received signal with a high signal level can be obtained. Can be done.

[第二実施形態]
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態では、第一実施形態で説明した超音波デバイス10を備えた超音波測定装置の一例としての距離センサーについて説明する。
図9は、本実施形態に係る距離センサー100の概略構成を示す図である。
本実施形態の距離センサー100は、図9に示すように、超音波デバイス10と、超音波デバイス10を制御する制御部20とにより構成されている。この制御部20は、超音波デバイス10を駆動させる駆動回路30と、演算部40とを含んで構成されている。また、制御部20には、その他、距離センサー100を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described. In the second embodiment, a distance sensor as an example of the ultrasonic measuring device including the ultrasonic device 10 described in the first embodiment will be described.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the distance sensor 100 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 9, the distance sensor 100 of the present embodiment includes an ultrasonic device 10 and a control unit 20 that controls the ultrasonic device 10. The control unit 20 includes a drive circuit 30 for driving the ultrasonic device 10 and a calculation unit 40. In addition, the control unit 20 may also include a storage unit that stores various data, various programs, and the like for controlling the distance sensor 100.

駆動回路30は、超音波デバイス10の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図9に示すように、基準電位回路31、切替回路32、送信回路33、及び受信回路34等を備える。
基準電位回路31は、上部電極端子123Pに接続され、上部電極端子123Pに基準電位(例えば−3V等)を印加する。
切替回路32は、各下部電極端子121Pと、送信回路33と、受信回路34とに接続される。この切替回路32は、スイッチング回路により構成されており、各下部電極端子121Pのそれぞれと送信回路33とを接続する送信接続、及び、各下部電極端子121Pのそれぞれと受信回路34とを接続する受信接続を切り替える。
The drive circuit 30 is a driver circuit for controlling the drive of the ultrasonic device 10. For example, as shown in FIG. 9, the drive circuit 30 includes a reference potential circuit 31, a switching circuit 32, a transmission circuit 33, a reception circuit 34, and the like.
The reference potential circuit 31 is connected to the upper electrode terminal 123P and applies a reference potential (for example, -3V or the like) to the upper electrode terminal 123P.
The switching circuit 32 is connected to each lower electrode terminal 121P, a transmitting circuit 33, and a receiving circuit 34. The switching circuit 32 is composed of a switching circuit, and is a transmission connection for connecting each of the lower electrode terminals 121P and the transmission circuit 33, and a reception for connecting each of the lower electrode terminals 121P and the reception circuit 34. Switch the connection.

送信回路33は、切替回路32及び演算部40に接続され、切替回路32が送信接続に切り替えられた際に、演算部40の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーTrにパルス波形の駆動信号を出力し、超音波デバイス10から超音波を送信させる。
受信回路34は、切替回路32及び演算部40に接続され、切替回路32が受信接続に切り替えられた際に、各下部電極121からの受信信号が入力される。この受信回路34は、例えばリニアノイズアンプ、A/Dコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を演算部40に出力する。
The transmission circuit 33 is connected to the switching circuit 32 and the calculation unit 40, and when the switching circuit 32 is switched to the transmission connection, a pulse waveform drive signal is sent to each ultrasonic transducer Tr under the control of the calculation unit 40. Is output, and ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic device 10.
The receiving circuit 34 is connected to the switching circuit 32 and the arithmetic unit 40, and when the switching circuit 32 is switched to the receiving connection, the received signal from each lower electrode 121 is input. The receiving circuit 34 includes, for example, a linear noise amplifier, an A / D converter, and the like, and converts an input received signal into a digital signal, removes noise components, amplifies to a desired signal level, and the like. After performing signal processing, the processed received signal is output to the calculation unit 40.

演算部40は、例えばCPU(Central Processing Unit)等により構成され、駆動回路30を介して超音波デバイス10を制御し、超音波デバイス10により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部40は、切替回路32を送信接続に切り替え、送信回路33から超音波デバイス10の各超音波トランスデューサーTrに駆動信号を出力させて、超音波を送信させる。また、演算部40は、超音波を送信した直後に、切替回路32を受信接続に切り替えさせる。これにより、超音波デバイス10で反射波を受信した際に受信信号が受信回路34を介して演算部40に入力される。そして、演算部40は、ToF(Time of Flight)法により、超音波デバイス10から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、超音波デバイス10から対象物までの距離を算出する。
The calculation unit 40 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit) or the like, controls the ultrasonic device 10 via a drive circuit 30, and causes the ultrasonic device 10 to perform ultrasonic wave transmission / reception processing.
That is, the calculation unit 40 switches the switching circuit 32 to the transmission connection, outputs a drive signal from the transmission circuit 33 to each ultrasonic transducer Tr of the ultrasonic device 10, and transmits ultrasonic waves. Further, the calculation unit 40 switches the switching circuit 32 to the reception connection immediately after transmitting the ultrasonic wave. As a result, when the reflected wave is received by the ultrasonic device 10, the received signal is input to the calculation unit 40 via the receiving circuit 34. Then, the calculation unit 40 uses the time from the transmission timing at which the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic device 10 to the reception of the received signal and the sound velocity in the air by the ToF (Time of Flight) method. The distance from the ultrasonic device 10 to the object is calculated.

上記のような本実施形態の距離センサー100では、第一実施形態において説明した超音波デバイス10を備える。この超音波デバイス10は、上述したように、振動膜112に厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層13が設けられているため、当該超音波デバイス10による超音波の送受信感度を高く維持しつつ、残響振動をも抑制した精度の高い超音波の送受信を行うことができ、超音波の送受信に係る制御も容易となる。
したがって、制御部20は、超音波デバイス10の超音波の送受信処理を容易に制御することができ、かつ、超音波デバイス10により得られた精度の高い超音波の送受信結果に基づいて、超音波デバイス10から対象物までの距離を高精度に算出することができる。
The distance sensor 100 of the present embodiment as described above includes the ultrasonic device 10 described in the first embodiment. As described above, the ultrasonic device 10 is provided with a damper layer 13 having a thickness dimension of 13 μm or more and 25 μm or less on the vibrating film 112, so that the ultrasonic device 10 maintains high ultrasonic transmission / reception sensitivity. At the same time, it is possible to transmit and receive highly accurate ultrasonic waves in which reverberation vibration is suppressed, and control related to the transmission and reception of ultrasonic waves becomes easy.
Therefore, the control unit 20 can easily control the ultrasonic wave transmission / reception processing of the ultrasonic wave device 10, and the ultrasonic wave is based on the highly accurate ultrasonic wave transmission / reception result obtained by the ultrasonic wave device 10. The distance from the device 10 to the object can be calculated with high accuracy.

[変形例]
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
[Modification example]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and the configuration obtained by appropriately combining modifications and improvements within the range in which the object of the present invention can be achieved, and by appropriately combining the embodiments, etc., is the present invention. It is included in.

例えば、上記第一実施形態では、超音波デバイス10が、素子基板11の開口部111A側から超音波を送信し、開口部111Aに入力される超音波を受信し、ダンパー層13が、振動膜112の基板本体部111とは反対側の面に設けられる構成としたが、これに限られない。
図10及び図11は、超音波デバイスの他の例を示す断面図である。
例えば、図10に示す超音波デバイス10Aでは、素子基板11の開口部111Aとは反対側の面(圧電素子12が設けられる面)が超音波の送受信面となる。つまり、超音波デバイス10Aは、振動膜112から−Z側(基板本体部111とは反対側)に超音波が送信され、−Z側から入力された超音波が振動部112Aにて受信される。このような構成の超音波デバイス10Aでは、図10に示すように、ダンパー層13は、開口部111A内に設けられることが好ましい。
また、この場合、図11に示すように、基板本体部111の厚み寸法をダンパー層13の厚み寸法と同寸法とする構成としてもよい。
For example, in the first embodiment, the ultrasonic device 10 transmits ultrasonic waves from the opening 111A side of the element substrate 11, receives the ultrasonic waves input to the opening 111A, and the damper layer 13 is a vibrating film. The configuration is such that the 112 is provided on the surface opposite to the substrate main body 111, but the present invention is not limited to this.
10 and 11 are cross-sectional views showing another example of the ultrasonic device.
For example, in the ultrasonic device 10A shown in FIG. 10, the surface of the element substrate 11 opposite to the opening 111A (the surface on which the piezoelectric element 12 is provided) is the surface for transmitting and receiving ultrasonic waves. That is, in the ultrasonic device 10A, ultrasonic waves are transmitted from the vibrating film 112 to the −Z side (the side opposite to the substrate main body 111), and the ultrasonic waves input from the −Z side are received by the vibrating unit 112A. .. In the ultrasonic device 10A having such a configuration, as shown in FIG. 10, the damper layer 13 is preferably provided in the opening 111A.
Further, in this case, as shown in FIG. 11, the thickness dimension of the substrate main body 111 may be the same as the thickness dimension of the damper layer 13.

上記第一実施形態において、ダンパー層13のヤング率が150MP以下の素材により構成される例を示したが、より好ましくは、10MPa以下であり、具体的にはシリコーンや、各種ゴム材により構成されていることがより好ましい。 In the first embodiment, an example in which the Young's modulus of the damper layer 13 is composed of a material of 150 MP or less is shown, but more preferably, it is 10 MPa or less, and specifically, it is composed of silicone or various rubber materials. Is more preferable.

第一実施形態において、振動膜112の振動部112Aを振動させる振動素子として、圧電素子12を例示したが、これに限定されない。
例えば、振動膜の振動領域(振動部)に対してエアギャップを介して対向する基板を設け、振動部と基板とのそれぞれに電極を設ける構成としてもよい。このような構成では、振動部に設けられた電極と、基板に設けられた電極との間に周期駆動電圧を印加することで、振動部が静電引力によって基板側に引き寄せられることで振動し、超音波を送信する。また、超音波を受信した際には、振動部が振動されることで、電極間の静電容量が変動する。すなわち、この静電容量の変動を検出により、超音波の受信を検出する。
また、当該構成では、超音波は振動部の基板とは反対側に出力される。したがって、振動部と基板との間(エアギャップ)に、振動部に接するダンパー層を設ける構成とする。これにより、上記実施形態と同様、超音波の送受信感度を高く維持しつつ、かつ、残響振動をも抑制することができ、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。
In the first embodiment, the piezoelectric element 12 is exemplified as the vibrating element that vibrates the vibrating portion 112A of the vibrating film 112, but the present invention is not limited thereto.
For example, a substrate facing the vibrating region (vibrating portion) of the vibrating membrane via an air gap may be provided, and electrodes may be provided on each of the vibrating portion and the substrate. In such a configuration, by applying a periodic drive voltage between the electrode provided on the vibrating portion and the electrode provided on the substrate, the vibrating portion is attracted to the substrate side by electrostatic attraction and vibrates. , Sends ultrasonic waves. Further, when the ultrasonic wave is received, the vibrating portion is vibrated, so that the capacitance between the electrodes fluctuates. That is, the reception of ultrasonic waves is detected by detecting the fluctuation of the capacitance.
Further, in this configuration, the ultrasonic wave is output to the side opposite to the substrate of the vibrating part. Therefore, a damper layer in contact with the vibrating portion is provided between the vibrating portion and the substrate (air gap). As a result, as in the above embodiment, the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves can be maintained high, the reverberation vibration can be suppressed, and the control related to the transmission / reception of ultrasonic waves can be easily performed.

上記第一実施形態では、超音波を空気中に送信し、空気中から伝搬された超音波を受信する超音波デバイス10を例示し、ダンパー層13を、振動膜112の超音波の送信方向とは反対側の面に設ける構成とした。
これに対して、例えば、超音波を水中等に送信する場合では、振動膜112のうち超音波の送信方向にシリコーンゴム等により構成されたダンパー層13を設ける構成としてもよい。すなわち、超音波を伝搬させる媒質と同程度の音響インピーダンスを有するダンパー層13であれば、超音波の送信方向に設けられていてもよい。
In the first embodiment, the ultrasonic device 10 that transmits ultrasonic waves into the air and receives the ultrasonic waves propagated from the air is illustrated, and the damper layer 13 is used as the transmission direction of the ultrasonic waves of the vibrating film 112. Was configured to be provided on the opposite surface.
On the other hand, for example, when ultrasonic waves are transmitted into water or the like, a damper layer 13 made of silicone rubber or the like may be provided in the direction of ultrasonic wave transmission in the vibrating membrane 112. That is, as long as the damper layer 13 has an acoustic impedance similar to that of the medium for propagating the ultrasonic waves, it may be provided in the transmission direction of the ultrasonic waves.

上記第二実施形態では、超音波測定装置の一例として距離センサー100を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波の送受信結果に応じて、構造体の内部断層像を測定する超音波測定装置等に適用することもできる。 In the second embodiment, the distance sensor 100 has been illustrated as an example of the ultrasonic measuring device, but the present invention is not limited to this. For example, it can be applied to an ultrasonic measuring device or the like that measures an internal tomographic image of a structure according to the result of transmitting and receiving ultrasonic waves.

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。 In addition, the specific structure at the time of carrying out the present invention may be configured by appropriately combining each of the above embodiments and modifications as long as the object of the present invention can be achieved, or may be appropriately changed to another structure or the like. You may.

10、10A…超音波デバイス、11…素子基板、12…圧電素子、13…ダンパー層、20…制御部、30…駆動回路、40…演算部、100…距離センサー(超音波測定装置)、111…基板本体部、111A…開口部、111B…壁部、112…振動膜、112A…振動部、121…下部電極、122…圧電体層、123…上部電極、Tr…超音波トランスデューサー。 10, 10A ... Ultrasonic device, 11 ... Element substrate, 12 ... Piezoelectric element, 13 ... Damper layer, 20 ... Control unit, 30 ... Drive circuit, 40 ... Calculation unit, 100 ... Distance sensor (ultrasonic measuring device), 111 ... Substrate body, 111A ... Opening, 111B ... Wall, 112 ... Vibrating film, 112A ... Vibrating part, 121 ... Lower electrode, 122 ... Piezoelectric layer, 123 ... Upper electrode, Tr ... Ultrasonic transducer.

Claims (4)

振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、
前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、
前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下であり、
前記ダンパー層は、ヤング率が150MPa以下の素材により構成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
A vibrating membrane having a vibrating region that can be vibrated by a vibrating element,
A damper layer provided so as to cover the vibration region of the vibration membrane is provided.
The thickness dimension of the damper layer state, and are more 25μm or less 13 .mu.m,
The ultrasonic device is characterized in that the damper layer is made of a material having a Young's modulus of 150 MPa or less.
請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、
前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
In the ultrasonic device according to claim 1,
The vibrating element is a piezoelectric element including a lower electrode provided on one surface of the vibrating film, a piezoelectric layer laminated on the lower electrode, and an upper electrode laminated on the piezoelectric layer.
An ultrasonic device characterized in that the damper layer is provided on the one surface of the vibrating membrane on which the piezoelectric element is provided.
請求項1または請求項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、
前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
In the ultrasonic device according to claim 1 or 2.
The direction in which ultrasonic waves are transmitted when the vibrating region is vibrated by the vibrating element is set as the first direction.
An ultrasonic device characterized in that the damper layer is provided on a surface of the vibrating membrane opposite to the first direction.
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波測定装置。
The ultrasonic device according to any one of claims 1 to 3 , and the ultrasonic device.
A control unit that controls the ultrasonic device and
An ultrasonic measuring device characterized by being provided with.
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